UTOPIA - Universal Trajectory Synchronization for Highly Predictable Arrivals Enabled by Full Automation

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Das Projekt UTOPIA (Universal Trajectory Synchronization for Highly Predictable Arrivals Enabled by Full Automation) wurde im Rahmen des SESAR Workpackage E (WP-E, Long Term and Innovative Research) durch die EUROCONTROL finanziert und hatte eine Laufzeit von zwei Jahren (2011 - 2013). Die Bearbeitung erfolgte durch ein Konsortium bestehend aus Boeing Research & Technology Europe, Barco-Orthogon GmbH und der TU Dresden, die gleichzeitig die Rolle des Projektkoordinators übernommen hat.
Die Abschlusspräsentation zum Projekt im Eurocontrol Experimental Center (EEC), Bretigny, Frankreich, finden Sie hier

Projektinformation

Auftraggeber: Eurocontrol, SJU
Partner: Boeing Research & Technology Europe und Barco-Orthogon GmbH
Laufzeit: 28 Monate, Mai 2011 - September 2013

Projektbeschreibung

Eine der größten Herausforderung für das zukünftige Air-Traffic-Management (ATM)-System der nächsten Jahrzehnte besteht in der Integration neuer Luftraumnutzer sowie die kontinuierliche Verlagerung von kapazitäts- und sicherheitskritischen ATM-Funktionen an automatisierte Unterstützungssysteme. Die Aufnahme neuer Luftraumnutzer in Co-Existenz zu den herkömmlichen Nutzern, ein neuzuorganisierender Luftraum und ein erhöhter Automatisierungsgrad erfordern zwangsläufig einen Paradigmenwechsel der heutigen Trajektorien-Management-Funktionen.

Die Ziele von UTOPIA lassen sich mit folgenden Kernarbeitspunkten zusammenfassen:

  • Die Identifikation von stochastischen Unwägbarkeiten, die Auswirkungen von Störungen und Unwägbarkeiten auf die Planung von n-dimensionalen Flugtrajektorien
  • Entwicklung verbesserter Algorithmen zur Optimierung des Flugroutenmanagements und der Datensynchronisation zwischen Luft und Boden zur Unterstützung der Entscheidungsfindung von Systemen und Nutzern
  • Nutzung einer formalen Modellsprache zur Übertragung von Trajektoriendaten und Synchronisationsprotokollen für heterogene Systeme und Nutzer in einer automatisierten Umgebung. Das Ziel war ein besseres Verständnis über Flugroutenmanagement und Datensynchronisation in den genannten Bereich zu erlangen und für ein effizientes Management eines heterogenem Verkehrsaufkommens umzusetzen.

Der Fokus des Forschungsprojektes lag insbesondere auf Datenmodellen, Synchronisationsanforderungen und Algorithmen, um einen sichere Zusammenführung des Verkehrs durch eine separierende, autonome Arrival-Management-Funktion in einem erweiterten Nahverkehrsbereich (Extended Terminal Area, E-TMA) zu gewährleisten. Zu untersuchende konvergierende Verkehrsströme umfassen heterogene Bordsysteme, jedoch vor allem erweiterte, aber auch herkömmliche Flight-Management-Systeme (FMS), welche hinsichtlich ihrer Befähigung die verschiedenen Luftraumnutzer mit unterschiedlichen Stufen der Synchronisation abbilden.

Simulationsumgebung

Im Rahmen des Projekts wurde ein Simulationsverbund entwickelt, der für die Evaluierung der entwickelten Konzepte und Algorithmen diente. Der Simulationsverbund besteht aus vier Komponenten:

  • Barco-Orthogon Arrival Manager (AMAN), entwickelt von Barco Orthogon
  • Future ATM Concept Testbench (FACT), entwickelt von Boeing Research & Technology Europe (BRTE)
  • Testbench for Agent-based air traffic simulation (TABATS), entwickelt von der TU Dresden
  • Demonstrator Control Process (DCP), entwickelt von Barco Orthogon

Während FACT und TABATS als Luftverkehrssimulationen dienen und somit das Luftfahrzeugverhalten mittels Flugleistungs- und FMS-Modellen abbilden, agiert der Arrival Manager als boden-basiertes Trajektorien- bzw. Flugroutenmanagementsystem und ermöglicht ein automatisiertes Ankunftsmanagement für einen Flughafen. Zur Verbindung der drei Komponenten wurde der DCP entwickelt, der vergleichbar zu einer SWIM-Implementierung, die korrekte Synchronisation zwischen den Clients sicherstellt.

UTOPIA © IFL

Aufbau des UTOPIA-Simulationsverbundes

Erkenntnisse

Die wesentlichen Erkenntnisse des Projekts können wie folgt zusammengefasst werden:

  • Ökonomisch: Wird Luftraumnutzern eine Ankunftszeit (Required Time of Arrival, RTA) mit dem Eintritt in die erweiterte TMA mit einem Zeithorizont von drei Stunden zugewiesen, konnten Einsparungen im Brennstoffverbrauch von bis zu neun Prozent festgestellt werden.
  • Kommunikation: Die benötigte Kommunikationsbrandbreite verdoppelte sich wenn automatisierte RTA-Anweisungen durch den Arrival Manager erzeugt wurden.
  • Kapazität: Die Einführung von unbemannten Luftfahrzeugen (UAS) mit hochgenauen Flight Managment Systemen führten zu einer signifikanten Verringerung der Sequenzänderungen innerhalb der Ankunftsreihenfolge. Gleichzeit sank die Landebahnkapazität erwartungsgemäß durch die vorgeschriebene höhere Wirbelschleppenstaffelung der sehr leichten UAS.
  • Unwägbarkeiten: Die Einbeziehung von Unwägbarkeiten sowie des Umweltfaktors Winds innerhalb der Trajektorienvorhersage verringerte die Planungsstabilität des Arrival Managers. Die Berücksichtigung der simulierten Unwägbarkeiten führte zu einer Erhöhung der Sequenzänderungen von bis zu 200%.
  • Synchronisation: Änderungen des Flugpfades durch signifikante Wettererscheinungen wurden ebenfalls innerhalb des Simulationsverbundes abgebildet. Luftfahrzeuge führten eine automatische Umfliegung der Wettererscheinungen durch und meldeten diese an den Arrival Manager weiter. Die damit implementierte Luft-Boden-Sychronisation ermöglichte eine frühzeitige Neueingliederung in der Ankunftssequenz und verhinderte damit nachteilige Sequenzänderungen.
  • Übertragung von Aircraft Intent Informationen: In Ergänzung zu Trajektorieninformationen wurden dem boden-basierten Arrival Manager Zielgrößen und Absichten des Luftfahrzeugs (Aircraft Intent) zur Verfügung gestellt. Die Übertragung erfolgte mittels einer formalen Sprache (AIDL) mit dem Ziel die Trajektorienvorhersage der Bodenstation maßgeblich zu verbessern. Diese Funktion erlaubte dem AMAN ebenfalls ein prompte Adaption seiner Vorhersage sobald Geschwindigkeitskorrekturen als Ergebnis einer RTA-Anweisung erfolgten und konnten die Planungsstabilität der Ankunftssequenz um bis zu 40% steigern.
  • Optimiertes Vectoring: Nach Überflug des Initial Fix (IF) wurde den Luftfahrzeugen ein finaler Zielvektor übermittelt. Dieser wurde anschließend durch Rückmeldung des FMS optimiert und resultierte in einer Abweichung von weniger als fünf Sekunden zwischen der geplanten und der tatsächlichen Landezeit des Luftfahrzeugs.

Projektbezogene Veröffentlichungen

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Letzte Änderung: 25.07.2022